Abatimiento Del Nivel Freatico

ABATIMIENTO DEL NIVEL FREATICO Y ESTABILIDAD DE TALUDES

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ABATIMIENTO ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO I. INTRODUCCION. El agua del subsuelo es una fuente vital de abastecimiento, especialmente en las zonas en donde los veranos secos o las sequías s equías prolongadas prol ongadas originan orig inan que el escurrimiento escurrim iento fluvial cese o se agote.

-

NIVEL FREÁTICO . El nivel estático del agua en los pozos que penetran en la zona de saturación se llama capa o nivel freático. El nivel freático con frecuencia se describe como una reproducción o replica amortiguada, de la topografía de la superficie del terreno.

El nivel freático es la superficie de un cuerpo o masa de agua que está por si

misma constantemente ajustándose para alcanzar una condición de equilibrio.

-

ZONAS DEL AGUA DEL SUBSUELO . SUBSUELO . Inmediatamente debajo de la superficie los poros del suelo contienen agua y aire en cantidades variables. Después de una lluvia, el agua puede moverse hacia abajo a través de esta zona de aireación. Algo del agua se dispersa por el suelo para ser retenida por las fuerzas de la capilaridad en los poros más pequeños o por la atracción molecular alrededor de las partículas del suelo.

El agua de la zona zona de

aireación se conoce como humedad del suelo. Si la capacidad de retención del suelo en la zona de aireación queda satisfecha, el agua se mueve hacia abajo, hacia una región donde los poros del terreno o de la roca están llenos de agua y el escurrimiento se efectúa de acuerdo con las leyes hidráulicas.

-

IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DEL NIVEL FREATICO. El estudio del agua subterránea y superficial es importante para la realización de obras de ingeniería, que permitan diseñar los mecanismos para ejercer el control de amenazas por inundación o por contaminación y el aprovechamiento de las aguas subterráneas como fuente alterna de suministro de agua.

De la necesidad de predecir niveles freáticos futuros dado un caso de estudio comercial o industrial, sobre la base de parámetros de explotación, es que intervienen los modelos matemáticos, ya que no se podrían realizar ensayos de bombeo en forma continua, sin perjudicar al acuífero o a la inversión económica, puesto que los ensayos cuestan tiempo y dinero.

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La importancia del estudio de las aguas subterráneas se basa en la interrelación existente entre ellas y los suelos que las poseen, ya que a su vez estos mismos suelos pueden soportar estructuras que podrían ser afectadas por la presencia o variación de las aguas. A su vez, estas son una fuente confiable, continua y económica, que no requiere complicados sistemas de tratamiento de potabilización, por lo cual se convierten en una solución alternativa de abastecimiento de agua para consumo humano y riego.

Estos temas sintetizan el interés que este trabajo puede tener para contribuir a la reducción de la vulnerabilidad por inundación y contaminación de acuífero que posee este conjunto urbano universitario, el cual no solo es la sede de la universidad más antigua del país, sino de uno de los conjuntos de edificaciones modernas mas significativo en el mundo actual. II. DETERMINACIÓN DE FLUJO .

Investigar la disminución local de la superficie freática en un acuífero a partir de la Ley de Darcy.

Esta práctica es de interés en el estudio del flujo a través de suelos que siguen la ley de Darcy. La importancia en Ingeniería Civil es por su influencia en la solución de gran número de problemas relacionados con la construcción y operación de estructuras tales como diques, pilotes, cimentaciones, estabilidad de taludes etc.

De acuerdo con la ley de Darcy el flujo en un medio permeable es proporcional al área y al gradiente hidráulico. O sea.

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La importancia del estudio de las aguas subterráneas se basa en la interrelación existente entre ellas y los suelos que las poseen, ya que a su vez estos mismos suelos pueden soportar estructuras que podrían ser afectadas por la presencia o variación de las aguas. A su vez, estas son una fuente confiable, continua y económica, que no requiere complicados sistemas de tratamiento de potabilización, por lo cual se convierten en una solución alternativa de abastecimiento de agua para consumo humano y riego.

Estos temas sintetizan el interés que este trabajo puede tener para contribuir a la reducción de la vulnerabilidad por inundación y contaminación de acuífero que posee este conjunto urbano universitario, el cual no solo es la sede de la universidad más antigua del país, sino de uno de los conjuntos de edificaciones modernas mas significativo en el mundo actual. II. DETERMINACIÓN DE FLUJO .

Investigar la disminución local de la superficie freática en un acuífero a partir de la Ley de Darcy.

Esta práctica es de interés en el estudio del flujo a través de suelos que siguen la ley de Darcy. La importancia en Ingeniería Civil es por su influencia en la solución de gran número de problemas relacionados con la construcción y operación de estructuras tales como diques, pilotes, cimentaciones, estabilidad de taludes etc.

De acuerdo con la ley de Darcy el flujo en un medio permeable es proporcional al área y al gradiente hidráulico. O sea.

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El flujo en un suelo de espesor conocido entre dos planos verticales de acuerdo a la figura está definido como:

DONDE:

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EQUIPO, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

1.

Equipo de permeabilidad.

2.

Placas extremas del tanque, izquierda permeable, derecha permeable.

3.

100 l de arena seca de tamaño igual o mayor a mm.

4.

80 l de agua limpia.

5.

Nivel de burbuja.

6.

Regla graduada o flexómetro.

7.

Cronómetro.

8.

Probeta y vaso graduado de 1 l de capacidad.

9.

Regulador de energía, extensión y cable de conexión a equipo.

10.

Hoja de anotaciones a manera de tabla.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1.

Verificar que este nivelado el equipo.

2.

Bajar los tornillos de las cuatro patas de la máquina, para evitar movimiento lateral.

3.

Llenar el depósito con agua hasta el nivel marcado.

4.

Verificar que las placas extremas estén colocadas y sean permeables.

5.

Verificar que las válvulas de suministro a los depósitos extremos izquierda y derecha estén abiertas.

6.

Verificar que la válvula del sumidero este cerrada.

7.

Verificar que los tubos de drenaje de los depósitos extremos izquierdo y derecho estén a 300 mm.

8.

Llenar el depósito de arena hasta alcanzar una profundidad uniforme de 350 mm.

9.

Verificar que los tubos manométricos estén limpios.

10.

Conectar el equipo al regulador y este al contacto de energía de 110 v.

11.

Arrancar la bomba y ajustar la velocidad hasta alcanzar una profundidad del flujo constante de 300 mm en el depósito izquierdo y derecho, con apenas un poco de flujo por el tubo de drenaje.

12.

Esperar a que el flujo alcance ambos depósitos y se establezca una profundidad del flujo constante.

13.

Registrar el nivel de agua alcanzado en todos manómetros.

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14.

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Abrir parcialmente la válvula de descarga central para lograr que el nivel del agua se reduzca 10 mm en los manómetros h 6 y h7.

15.

Registrar los nuevos niveles de agua alcanzado en todos los manómetros, así como el nivel alcanzado del vertedor correspondiente a la descarga central (sumidero).

16.

Aforar el gasto desalojado por el vertedor registrando volumen en la probeta o vaso y el tiempo transcurrido por lo menos tres mediciones.

17.

Cerrar parcialmente la válvula central para tener decrementos de 10 mm de nivel de agua en los manómetros h 6 y h7.

18.

Repetir el paso 15 hasta alcanzar un decremento total de 50 mm y registrar las lecturas de todos los manómetros, incluyendo el manómetro de descarga central (sumidero).

19.

Apagar el equipo, drenar los manómetros, el agua del depósito y extender la arena sobre una superficie limpia para su secado.

MEMORIA DE CÁLCULO

1.

Calcular el caudal asociado a cada una de las cargas manométricas del vertedor, con ayudad de la curva de calibración, o bien con la ecuación siguiente.

2.

2 2 2 2 Obtener la diferencia cuadrática de las cargas manométricas h 1 -h6 o h14 -h7 .

3.

Dibujar una gráfica caudal contra diferencia cuadrática de cargas y ajustar los datos a una línea recta.

4.

Determinar el coeficiente de permeabilidad K p, a partir de la pendiente de la recta.

Es decir.

Donde:

m

:Pendiente de la recta. 5


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Kp

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:Coeficiente de permeabilidad. y Ancho del suelo.

x

5. 6.

:Distancia horizontal.

Dibujar una gráfica que muestre el abatimiento del nivel freático. Con base en el resultado anterior investigar a que tipo de material se corresponde y las características de drenaje.

7.

Comparar los gastos calculados con los aforados.

RESULTADOS DE LA PRACTICA EJEMPLO

1.Tabla de anotación y cálculo.

2.Tablas de cálculo.

2 2 3.Relación caudal-h0 -h1 . 6


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4.Coeficiente de permeabilidad.

De la gráfica y de la ecuación de la recta se obtiene que la pendiente m, es igual. m = 0.00033 Y como el coeficiente de permeabilidad está dado cómo:

Entonces el coeficiente de permeabilidad con:

Vale.

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5. Abatimiento del nivel freático.

6.Características de drenaje

Con el valor del coeficiente de permeabilidad se consideran unas características de drenaje buenas. III. IDENTIFICACIÓN DE ESTABILIDAD DE TALUDES .

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- CAPILARIDAD DE AGUAS FREÁTICAS.

Conocemos el proceso de capilaridad como el ascenso que tiene un líquido al estar en contacto con las paredes de un tubo de diámetro pequeño. Si tomamos la masa de suelo, como un gran conjunto de poros, los cuales están comunicados, tendríamos una gran red de tubos capilares, los cuales permiten el efecto de capilaridad del agua freática. Al subir el agua por un tubo capilar, esta produce unos esfuerzos de tensión en la parte superior de el agua que esta dentro del tubo capilar. Esto se puede explicar teniendo como base la hidrostática: (figura 1) Si tenemos que tomamos una presión relativa, teniendo como origen la presión atmosférica, vemos que esta presión, en el punto de la superficie del agua (no dentro del capilar) debe ser cero, y a medida que vamos bajando en el agua, la presión aumenta, linealmente, es así que si subimos del nivel donde el agua esta en contacto con el aire, la curva de presiones sigue de igual forma, dando unos esfuerzos de tensión en las partes donde se encuentra por encima de este nivel de referencia, coincidiendo esto con las partes donde tenemos el agua capilar. En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos. - PROBLEMAS DE CAPILARIDAD EN LA CONSTRUCCIÓN.

Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática. También encontramos soluciones de aditivos para el concreto (inclusores de aire), para poder generar impermeabilidad en este, y de morteros para recubrir estructuras (sika 101) con el fin de ganar impermeabilidad. En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida 9


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parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático. - CONTRACCIÓN DE SUELOS FINOS POR EFECTO DE LA CAPILARIDAD.

Si tenemos un suelo saturado, el agua estar ejerciendo una fuerza de separación entre las partículas sólidas del suelo (presión hidrostática). Luego el suelo empezara a secarse por cualquier causa, que generalmente es el calentamiento por el sol, y el agua que hay en el suelo se evaporara, y la masa de suelo tratara de tomar su nivel freático normal, de esta manera las aguas empezaran a tratar de bajar, creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce unos esfuerzos de compresión en el suelo, pasando este de la presión hidrostática (cuando el suelo estaba saturado), a un esfuerzo de tensión superficial (al tener el fenómeno de capilaridad del agua). De esta manera el suelo entrara en un proceso de contracción. Hay que tener en cuenta que el suelo debe ser un suelo fino, para poder producir el proceso de capilaridad, y de esta manera crear la tensión superficial necesaria para que el suelo se contraiga. El proceso de la retracción del agua hacia el interior no se hará simultáneamente en toda la masa de suelo, debido a que la masa de suelo tiene diferentes diámetros de poros, produciendo tubos capilares de diferentes diámetros, bajando primero el agua que se encuentra en los canaliculos más gruesos (Especie de tubos capilares formados por los poros del suelo). - MUROS DE RETENCIÓN Y EL NIVEL FREÁTICO.

Los muros de retención, en la ingeniería civil, se hacen para contener tierra (llamada relleno) confinada a un espacio, sin que esta se derrumbe. Para el diseño de estos muros, se tiene debe tener en cuenta las fuerzas que sobre este actúan, donde juegan un papel muy importante las aguas Freáticas. Dentro de las fuerzas que se toman en cuenta al calcular un muro de contención de tierras se tiene el peso del mismo, la presión que hace el relleno sobre este, la reacción de el cimiento del muro, y alguna correspondiente al nivel Freático de las aguas, dentro de los cuales tenemos:



Fuerzas debidas a agua tras el muro: Si tenemos agua tras el muro de retención, estas aguas generaran una presión sobre este, teniéndose que tener en cuenta la presión que generara el agua freática, a la hora de hacer el diseño de un muro. Se debe tener en cuenta también que el nivel de las aguas Freáticas (nivel Freático) varia con el tiempo, generando un proceso de carga y descarga de la presión hidrostática en el muro, lo que podría generar un colapso del muro por fatiga. La solución para no bajar este nivel freático, seria el de hacer un filtro de aguas en la base del muro, para poder que el agua que hay se "escurra" por allí. También hay la posibilidad de hacer un muro 10


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completamente permeable, como es el caso de los gaviones, que son canastas de alambre, de forma cúbica, rellenas de tierra, lo cual permitiría el paso del agua y esta no generaría ninguna presión. 

Subpresiones: Cuando tenemos un mal drenaje bajo el muro, se puede almacenar agua en esta zona, produciéndose una presión de aguas freáticas bajo el muro, lo cual puede llegar al volcamiento del muro. Para esto se debe hacer un correcto drenado de las aguas en cuestión.



Las heladas: Si tenemos agua detrás del muro, y llega un tiempo de heladas, esta agua se congelar, produciéndose un cambio en el volumen del suelo, entrando una presión adicional al sistema, la cual puede hacer colapsar el muro.



Expansiones por cambio de la humedad de la masa de suelo: Si tenemos que la masa de suelo que esta siendo sostenida por el muro esta sometida a cambios del nivel freático, la masa de suelo puede cambiar fácilmente de volumen, mas si se trata de arcillas, o limos, suelos que inducen a un cambio volumétrico al cambiar la humedad del sistema. Si tenemos una época de verano, el nivel freático estará bajo, lo cual no genera presiones laterales por cambio volumétrico del suelo, las que si entraran en el caso de que el nivel freático suba, y el suelo se expanda por la acción de la humedad. Este cambiar volumétrico, generara un ciclo de carga y descarga en el muro, el cual al cabo de varios ciclos, puede fallar por fatiga. Para solucionar esto, se debe tratar de que los suelos que se tengan como relleno no sean expansivos con la humedad, y además tener un buen drenaje del sistema.

- TALUDES Y EL NIVEL FREÁTICO. Cuando tenemos en la construcción de algunas obras civiles taludes, como es el caso más común de las carreteras, aquí también hay influencia del nivel freático. Si en una época de invierno el nivel freático sube, el suelo que contiene al talud, llega a pesar más por el peso del agua, pudiendo haber un derrumbe del talud en cuestión. También hay que tener en cuenta que el agua, por la presión que genera en el suelo, tiende a separar las partículas sólidas del suelo, produciendo grietas, que en algunos sitios, pueden producir el colapso del talud. También se debe tener en cuenta la acción de las heladas aquí, ya que el talud cambiara de volumen, como se explico anteriormente. Se debe tener en cuenta que clase es de la que está compuesta el talud. Si tenemos arcillas plásticas, o limos, es muy probable que por la acción del agua freática, estos limos o arcillas ganen plasticidad, perdiendo resistencia al corte, lo que generaría el colapso de este talud. Para evitar los colapsos de los taludes, se debe tener un buen drenaje de este, el cual abatirá el nivel freático, disminuyendo la posibilidad de falla por aguas freáticas. Se 11


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recomienda hacer filtros dentro del talud, el cual sacará el agua de este. Estos filtros se deben diseñar para las épocas de invierno, ya que en ese momento los niveles freáticos suben y se corre el mayor de los riesgos de colapso de la estructura en cuestión. También se hace necesario hacer un drenaje por debajo del talud, ya que la presión en ese punto puede ser tal que produzca el volcamiento del talud, por eso se recomienda en los taludes con problemas de niveles freáticos, tener subdrenes, los cuales eviten esta clase de colapsos. - EL NIVEL FREÁTICO EN EXCAVACIONES. Muchas veces en la ingeniería civil, es necesario hacer excavaciones por debajo del nivel freático, lo que puede generar varios problemas si se tiene un suelo permeable, el cual permita que la excavación que se haga, se llene de agua, lo que generaría unas velocidades del agua freática, arrastrando material del suelo a la excavación también, estando sucio siempre la excavación.

Hay varias formas de abatir el nivel freático. La más común de ellas es hacer una zanja colectora del agua en la excavación, donde se coloca a bombear el agua hacia otra parte fuera de la excavación. Se debe tener en cuenta que los volúmenes de agua que se deben bombear son muy grandes, ya que el nivel freático siempre tratara de estar constante, lo que puede incrementar los costos de una obra determinada.

Otra de las formas para abatir el nivel freático es la de hacer una serie de pozos al rededor de la excavación, los cuales sacaran el agua de la tierra, bajando el nivel freático en esos puntos, y si tenemos la excavación en medio de estos puntos, el nivel freático de la excavación será abatido. También podemos pensar en hacer una excavación, la cual después de realizada (bajo agua), se puede impermeabilizar, y luego si secar el contenido de agua que queda dentro de esta excavación. Cuando se utiliza este método se debe tener en cuenta la presión que genera el agua tanto lateral como inferior de la excavación, ya que se puede producir el colapso del suelo de la excavación por el levantamiento del mismo, o el colapso de uno de los muros de contención Se pueden generar muchas otras formas de abatimiento del nivel freático, pero esto realmente se debe determinar al tener el problema real en la obra, y ver todas las variables que esto implica.

IV. MÉTODOS DE CONTROL DE FLUJO.

12


1.

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El control de aguas subterráneas puede realizarse por la instalación de barreras físicas (sistemas de exclusión) y bombeos, o ambos en combinación. El método o métodos apropiados a aplicar serán función de la naturaleza del suelo y de la profundidad de la excavación. No obstante, la gran variabilidad de suelos y de exigencias de proyecto, hacen de esta una ciencia no exacta, que no solo depende del análisis del flujo subterráneo y las características geotécnicas del terreno sino que también interviene de forma decisiva la experiencia y arte del experto. Cualquier conclusión teórica debiera ser sometida a juicio de expertos. Un especialista en control de nivel de aguas subterráneas es aquel que respeta y comprende la teoría y a la vez rechaza que la teoría anule a la experiencia.

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Cuando coinciden la teoría y la experiencia, se puede acometer la ejecución del proyecto con confianza. Por las incertidumbres que suelen presentarse durante la ejecución de las obras, el sistema de desagüe-agotamiento finalmente planteado debe ser flexible, y en esa flexibilidad reside principalmente el éxito del sistema, permitiendo en caso de necesidad la adaptación a la realidad que se vaya encontrando. La propia estructura objeto de la construcción, cuando cesen los bombeos, será sometida a presiones hidrostáticas laterales sobre los planos verticales y a subpresiones cuanto se trate de planos horizontales o subhorizontales. Esta estructura debe ser resistente a dichas presiones, evaluando además el efecto de flotabilidad y por tanto de compensación de cargas. En cuanto a la erosión de suelos, puede provocar asientos de las estructuras colindantes pudiendo comprometer su estabilidad. Adicionalmente, el descenso de nivel piezométrico ante suelos no pre consolidados, por ejemplo por la intercepción del flujo por barreras físicas o por el bombeo puede provocar subsidencias, que con carácter general serán de mayor extensión. Los materiales empleados en la construcción de la estructura enterrada, deben ser resistentes a la posible agresión química del agua subterránea, principalmente por presencia de sulfatos. Otras consideraciones deben ser tenidas en cuenta como son la colmatación de filtros por materiales finos o precipitación en sistemas de drenaje permanentes.

1. Bombeos superficiales El sistema a base de bombeos superficiales es, sin duda, el de menor complejidad, en cuanto a su diseño y montaje se refiere y, en general, de menor coste, pues se limita a la preparación de puntos o zanjas drenantes, cuyo objetivo es concentrar y facilitar el flujo 14


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del agua por medio de dichas zanjas hasta la ubicación de las bombas. Tanto las zanjas como los puntos de ubicación de las bombas, en la mayoría de los casos serán ejecutadas por medios mecánicos tales como retroexcavadoras, giratorias y similares. La limitación en cota de profundidad de estas calicatas nos vienen impuestas en suelos granulares, por la estabilidad de los dichos suelos, prácticamente nula y de elevado riesgo, una vez es cortado el nivel freático. Por ello, necesariamente será un método que únicamente debe ser planteado, a priori, ante necesidades de descenso de nivel freático muy someras, de entre 1 y 2 metros.

V. DISEÑO DE CAUDAL DE FLUJO. VI. ESTABILIZACIÓN DE TALUDES.

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El objetivo principal de un estudio de estabilidad de taludes o laderas, es diseñar medidas de prevención, control, remediación y/o estabilización para reducir los niveles de amenaza y riesgo. Se han desarrollado gran cantidad de técnicas probadas para el manejo de los taludes inestables o los deslizamientos. Generalmente, los beneficios más significativos desde el punto de vista de reducción de amenazas y riesgos, se obtienen con las medidas de prevención.

Se proponen una serie de principios y metodologías para la reducción de amenazas de deslizamiento, utilizando sistemas de prevención, los cuales requieren de políticas del Estado, la colaboración y toma de conciencia por parte de las comunidades.

Sin embargo, no es posible la eliminación total de los problemas mediante métodos preventivos en todos los casos y se requiere establecer medidas de control o de remediación de los taludes susceptibles a deslizamiento o en los deslizamientos activos. La estabilización de los deslizamientos en actividad o potencialmente inestables, es un trabajo relativamente complejo que requiere de metodologías especializadas de diseño y construcción. Cada sistema tiene su base teórica y sus procedimientos constructivos.

En el presente

capítulo se indican algunos de los sistemas de remediación que se han utilizado en el mundo. 16


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La solución de cada problema requiere un análisis conceptual y determinístico de las causas y mecanismos del problema y un diseño detallado de la remediación (Figura 1.2). Uno de los factores más importantes que define la alternativa de manejo, es la disponibilidad de recursos. Algunos proyectos disponen de grandes presupuestos, lo cual permite la construcción de obras de gran magnitud; sin embargo, es muy común que los recursos económicos sean limitados y se requiera utilizar tecnologías de bajo costo.

RECONOCIMIENTO ADECUADO DEL FACTOR DE SEGURIDAD La remediación de un deslizamiento o de un talud inestable, generalmente no es una estabilización total y definitiva, sino relativa y en ciertas condiciones, provisional. Ante esta realidad, es importante determinar hasta donde se debe llegar en el proceso de remediación. Cornforth (2005) explica que los factores de seguridad razonables y la magnitud de la estabilización deben determinarse teniendo en cuenta los siguientes factores: • El tamaño del deslizamiento . Teniendo en cuenta que es mucho más difícil modelar en

forma precisa un deslizamiento pequeño que uno de gran magnitud, el factor de seguridad para remediación de un deslizamiento pequeño, debe ser superior al de un deslizamiento de gran tamaño. Igualmente, el costo para subir el factor de seguridad en un deslizamiento grande, puede ser muy alto, lo cual en ocasiones, conduce a conclusiones incorrectas acerca de que los deslizamientos grandes no se pueden estabilizar.

Lo que ocurre es que, en un

deslizamiento grande, es más difícil subir el factor de seguridad y cualquier aumento en el factor de seguridad tiene un efecto importante en la estabilidad. 17


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• El tipo de movimiento. En los movimientos masivos de masas rígidas, las técnicas de

estabilización son más efectivas que en

los movimientos blandos tipo flujo de lodos, etc. En

los movimientos de suelos rígidos se pueden consideran factores de seguridad menores que en movimientos de flujo. • La magnitud de los estudios realizados. Si la información recolectada en los estudios es

muy completa y confiable, se pueden permitir factores de seguridad menores que en los casos en los cuales la información es escasa y la incertidumbre es mayor. •

El potencial de consecuencias.

En los casos en los cuales las consecuencias del

deslizamiento involucran un riesgo grande de vidas humanas o propiedades, se requieren factores de seguridad mayores, por ejemplo, si está involucrado un hospital o una escuela, los factores de seguridad deben ser mayores quen en el caso de un campo deportivo. • La experiencia del profesional con los suelos del sitio. Cuando se tiene experiencia

previa confiable del comportamiento real de

los suelos, se pueden permitir factores de

seguridad menores que cuando se desconoce el comportamiento real de los materiales. • Posibilidad de ocurrencia de eventos extremos. Si en el análisis no se tuvieron en cuenta

los eventos extremos, se deben incluir factores de seguridad mayores ante la ocurrencia de estos fenómenos. Como se explicó en los párrafos anteriores, la escogencia del factor de seguridad debe ser el resultado del buen juicio del ingeniero, quien debe tomar una decisión, con base en el análisis de la totalidad de los factores involucrados (Figura 1.3). Para cierto tipo de obras, los códigos pueden especificar un valor mínimo exigido para el factor de seguridad. Por ejemplo, para las estructuras de contención, la AASHTO (2001) exige los siguientes factores de seguridad de estabilidad de taludes: FS = 1.3 para cargas estáticas FS = 1.1 para carga sísmica con Kh de 0.5 A En algunas ciudades, los códigos geotécnicos especifican factores de seguridad mínimos, los cuales se deben cumplir por ley. Estos factores, generalmente, varían desde 1.15 a 1.5 y es común especificar factores de seguridad de 1.3 para las cargas estáticas. A continuación, se presenta la tabla 1.1 que puede servir como base general para la toma de decisiones sobre factores de seguridad. Con frecuencia, al aumentar el factor de seguridad también aumentan los costos requeridos para la construcción del talud. En ocasiones, la construcción de taludes estables podría resultar no sólo costosa sino poco práctica y se deben asumir los riesgos inherentes a la construcción de un talud relativamente inestable.

VII.

MÉTODOS MODERNOS DE CONTROL DE FLUJO DE ESTABILIDAD DE TALUDES.

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Una vez analizado el talud, definidos los niveles de amenaza y riesgo, el mecanismo de falla y analizados los factores de equilibrio, se puede pasar al objetivo final que es el diseño del sistema de prevención, control o estabilización. Existen varias formas de enfocar y resolver cada problema específico y la metodología que se requiere emplear en cada caso, depende de una serie de factores técnicos, sociales, económicos y políticos, con una gran cantidad de variables en el espacio y en el tiempo. En la tabla 1.2 se muestra un listado general de metodologías que se han utilizado para la mitigación de la amenaza y el riesgo a los deslizamientos. Las técnicas de remediación comprenden las siguientes alternativas generales: -

Prevención para evitar que ocurra la amenaza o el riesgo.

-

Elusión de la amenaza para evitar que ésta genere riesgos.

-

Control de los movimientos para disminuir la vulnerabilidad.

-

Estabilización para disminuir la probabilidad de ocurrencia de la amenaza aumentando el factor de seguridad.

Para la planeación, diseño, construcción y monitoreo de las obras de remediación de un deslizamiento, Popescu (2001) propuso un programa que incluye una fase de estudios geotécnicos y geomorfológicos para escoger, conceptualmente, el sistema de remediación y una fase de viabilidad para pasar finalmente, al diseño y a la construcción. En el estudio preliminar, Popescu propone como un paso obligatorio, analizar si es posible eludir el deslizamiento. Si no es posible eludirlo, se pasa a una segunda etapa, seleccionar y diseñar la mejor alternativa de estabilización.

Después de construidas las obras, se

requiere además, la realización de un proceso de monitoreo y actualización.

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Regulaciones en el manejo de aguas.- En las laderas susceptibles a deslizamientos se deben prohibir las actividades que puedan generar infiltración de agua, como piscinas, pozos sépticos o zonas de infiltración, paso de redes de acueducto y alcantarillado, etc.

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Figura 1.8 Muros alcancía, en enrocado y gaviones o concreto para el control de caída de bloques a una carretera.

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Contrapesos o Contrafuertes (“Buttressing”)

Los contrapesos son una técnica utilizada para contrarrestar las fuerzas actuantes en un talud y consiste en la colocación de un peso de gran magnitud en la parte baja del talud o del deslizamiento. Al colocarle carga adicional a la base de un deslizamiento de rotación, se generan fuerzas de fricción y un momento resistente en dirección contraria al movimiento, lo cual produce un aumento en el factor de seguridad.

Bermas Bajas o Contrabermas El sistema de contrapesos es muy útil para la estabilización de taludes de terraplenes sobre zonas de suelos blandos, donde las fallas ocurren generalmente por falta de resistencia en el 24


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manto de cimentación del terraplén. En este caso, se construye una berma, la cual consiste en un terraplén de menor altura ubicado junto al terraplén principal, que sirve de contrapeso al aumentar la longitud de la superficie de falla (Figura 1.14). Las bermas o contrabermas son usadas para colocar una carga al pie de un terraplén sobre el suelo blando y de esta forma, aumentar la resistencia abajo del pie. La berma se coloca en el área que de acuerdo con el análisis de estabilidad, se puede levantar al producirse un deslizamiento. La contraberma se debe diseñar de forma que sea efectiva para garantizar la estabilidad del terraplén principal y al mismo tiempo, que sea estable por sí misma.

El efecto de la

contraberma es el de crear un contrapeso que aumente la longitud y la profundidad del círculo crítico de falla. Se recomienda prestar atención especial al cálculo de la capacidad de soporte o estabilidad del talud profundo del suelo sobre el cual se plantea la colocación de la contraberma. Si no se hace un estudio de estabilidad, hay peligro de que la carga adicional impuesta por la contraberma, pueda generar una falla profunda.

Muros de Suelo Reforzado (MSE) Los terraplenes del suelo mecánicamente estabilizado, (MSE) incluyen capas de suelo compactado con geosintéticos o mallas de refuerzo que forman una masa de gravedad la cual actúa como estructura de contención o contrapeso para la estabilización del deslizamiento (Figura 1.15).

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Figura 1.15 Esquema de estabilización utilizando muro MSE.

llaves de cortante Una llave de cortante es una zanja rellena de materiales de alta resistencia, la cual se construye atravesando la superficie de falla en todo el ancho de un deslizamiento.

La

estabilización se obtiene al utilizar la resistencia más alta del relleno en comparación con el suelo natural y los beneficios adicionales del drenaje. En ocasiones, las llaves de cortante se utilizan en combinación con contrapesos que aumentan los esfuerzos efectivos en el pie del deslizamiento. Las llaves de cortante son usadas para proporcionar una resistencia adicional al deslizamiento horizontal de la base de terraplenes (bermas) o para profundizar la superficie potencial de la falla de deslizamientos (Figura 1.16). El principal propósito de la llave de cortante es forzar al círculo crítico a profundizarse a una formación más resistente. Este método es muy efectivo cuando aparecen mantos de suelos duros a poca profundidad (Figura 1.17). La llave de cortante debe contener un sistema de drenaje por gravedad. Comúnmente, se coloca una tubería de drenaje en la parte inferior de la llave de cortante y una conducción que permita el drenaje por gravedad y en algunos casos, se requiere construir subdrenes de penetración para facilitar el drenaje del agua recolectada por el material granular. Las llaves de cortante son más eficientes cuando las superficies de falla son relativamente profundas (de 3 a 10 metros bajo el nivel del terreno) y son poco eficientes para fallas poco profundas (menos de 3 metros) (Cornforth, 2005).

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ESTRUCTURAS DE CONTENCIÓN Las estructuras de contención de tierras tienen por objeto la colocación de fuerzas adicionales que resistan el movimiento (Tabla 1.8). El objetivo es colocar fuerzas externas que aumenten las fuerzas resistentes, sin disminuir las actuantes (Figura 1. 20). Las estructuras de contención pueden ser masivas, en las cuales el peso de la estructura es un factor importante (Figura 1.21) o pueden consistir en estructuras ancladas, en las cuales la fuerza se transmite al suelo profundo por medio de un cable o varilla de acero. Cada tipo de estructura tiene un sistema diferente de trabajo y se deben diseñar de acuerdo con su comportamiento particular. En el capítulo 3, se explica el comportamiento y el diseño de las estructuras de contención para estabilizar los deslizamientos.

Entre los sistemas de

contención para la remediación de deslizamientos, se encuentran los siguientes: Estructuras de gravedad Son muros que trabajan como un peso o contrafuerte en la parte inferior de un movimiento. Entre los tipos de muro de gravedad se encuentran los muros en concreto simple, concreto ciclópeo, gaviones, criba, mampostería, enrocado y muros MSE. El peso es un factor determinante en este tipo de estructura. Los muros de gravedad son rígidos a flexibles de acuerdo con el tipo de material utilizado para su construcción y son muy eficientes, para estabilizar los deslizamientos poco profundos se pueden requerir estructuras de gran magnitud. Muros en Voladizo Son estructuras en concreto armado, esbeltas, con contrafuertes o estribos, en las cuales adicionalmente al peso del concreto, se coloca un relleno de suelo sobre la cimentación del muro. Esto aumenta el peso del sistema muro-suelo y existe además, la posibilidad de colocar llaves o espolones por debajo de la cimentación para mejorar las condiciones de estabilidad de la estructura. Estructuras ancladas Estas estructuras consisten en la perforación de inclusiones de acero dentro del suelo, las cuales comúnmente se inyectan para formar bulbos de anclaje (Anclajes postensionados) o se cementan en toda su longitud (Anclajes pasivos). Generalmente, se complementan con una pantalla o muro sobre la superficie del terreno en el cual se apoyan las anclas. (En los capítulos 4 y 5 se 27


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detallan los procedimientos de diseño).

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Figura 1.21 Estructuras de contención para la estabilización de los deslizamientos.

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Estructuras enterradas Son estructuras compuestas por tablestacas, pilas o pilotes, las cuales se profundizan por debajo de la superficie de falla.

De esta forma, aumentan la

resistencia al cortante sobre la superficie del deslizamiento y transmiten cargas a los materiales profundos más competentes. (En el capítulo 7 se detallan los procedimientos de diseño). La escogencia de la estructura de contención a utilizar para remediar un deslizamiento, es una de las decisiones más importantes en el diseño. Después de escogido el tipo de estructura, se requiere diseñar los diversos elementos que la constituyen. Las estructuras de contención deben complementarse con sistemas de subdrenaje para disminuir las presiones sobre las paredes y para abatir los niveles de agua en el suelo detrás de los muros. Para escoger el tipo de estructura se deben tener en cuenta, entre otros, los siguientes factores: • Comportamiento de la estructura • Disponibilidad de materiales para su construcción • Costos

Estructuras de Anclaje o Refuerzo Las estructuras de anclaje o refuerzo incluyen cables o varillas que se colocan dentro del suelo para reforzarlo o para transmitir cargas a los suelos o rocas a profundidad (Fotografía 1.3). En este tipo de estructura están incluidos los pernos, los muros anclados, los nails y los 30


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micropilotes (Figura 1.23 y tabla 1.9). Las estructuras de anclaje pueden ser postensionadas (“tiebacks”) o pasivas (clavos o “nails”). De acuerdo con las características del talud y las

necesidades de comportamiento, se escoge el tipo de anclaje más eficiente para el caso específico.

Figura 1 .23 Esquema de las estructuras ancladas.

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DRENAJE Y SUBDRENAJE Unas de las técnicas más efectivas para la estabilización de laderas y taludes es el control de las aguas superficiales y subterráneas (Figura 1.27 y tabla 1.10). Su objetivo es controlar el agua y sus efectos, disminuyendo las fuerzas que producen el movimiento y/o aumentando las fuerzas resistentes.

El drenaje y el subdrenaje generalmente son poco costosos y muy

efectivos como medidas de prevención de los movimientos. Las obras de drenaje son un buen complemento de otros sistemas de estabilización.

Su

diseño y construcción son sencillos. En el capítulo 2, se explican en detalle, las tecnologías de drenaje y subdrenaje, aplicadas a la estabilización de los deslizamientos de tierra.

MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA DEL SUELO Las técnicas de mejoramiento de la resistencia del suelo incluyen procesos físicos y químicos que aumentan la cohesión y/o la fricción del suelo modificado o de la mezcla suelo-producto estabilizante (Tabla 1.11).

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Abatimiento Del Nivel Freatico

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